化学选修六 物质含量的测定

pH传感器
实验 3-5 比色法测定坑贫血药物中 铁的含量
定义
比色法：以生成有色化合物 的显色反应为基础，通过比较或 测量有色物质溶液颜色深度来确 定待测组分含量的方法。
基本反应
比色法是以生成有色化合物的显色反应 为基础的，一般包括两个步骤：首先是选择 适当的显色试剂与待测组分反应，形成有色 化合物，然后再比较或测量有色化合物的颜 色深度。比色分析对显色反应的基本要求如 下：
滴定曲线
概念：以酸碱滴定过程中滴加碱（或酸）的 量或中和百分数为横坐标，以溶液ＰＨ为纵 坐标，绘出溶液ＰＨ随碱（或酸）的滴加量 而变化的曲线。
突变：在化学计量点前后加入少量的酸或碱 使溶液的PH值发生突变的现象称为滴定突跃。
指示剂的选择 ㈠选择原则 ①由于紫色石蕊溶液变色不易观察，故一般 不选用紫色石瑞溶液作为酸碱滴定指示剂 ②溶液颜色的变化由浅到深容易观察,而由深 变浅则不易观察。因此应选择在滴定终点时 使溶液颜色由浅变深的指示剂 ③强酸和弱碱、强碱和弱酸中和达到滴定终 点时，前者溶液显酸性，后者溶液显碱性
⑦若测得待测液物质的量浓度为c(Fe3+)，药片质量为m， 则该药片中铁元素的含量
实验药品
2.00×10-2 mol/L左右的Fe3+标准溶液、蒸馏 水、5% KSCN溶液、pH=4 HAc-NaAc缓冲 溶液、1∶1 HNO3、抗贫血药物
实验仪器
分析天平、酸式滴定管、滴定管夹、铁架台、 100 mL容量瓶、胶头滴管、量筒、烧杯、 25 mL比色管（4支）、三脚架、石棉网、酒 精灯、玻璃棒
⑤用甲基橙作指示剂，氢氧化钠在空气中吸收了少量二氧 化碳气体。
误差分析：
C标. V标 误差分析直接利用中和滴定原理：C待= ————— V待
滴定过程中任何错误操作都可能导致 C标、V标、 V待的误差
但在实际操作中认为C标是已知的，V待是固定的， 所以一切的误差都归结为对 V标的影响，V标偏大 则C待偏大， V标偏小则C待偏小。
粉红色：8.0-10
无色：pH＜8.2
红色：pH ＞ 10.0
仪器和试剂：酸式滴定管、碱式滴定管、滴定管夹、铁架台、锥形 瓶。标准溶液、未知（待测）溶液、酸碱指示剂、蒸馏水。 锥形瓶——盛放待测溶液，有利于振荡操作 酸式滴定管——用来盛放酸性或氧化性溶液。 （酸、Br2、KMnO4等，不能盛放NaOH、Na2SiO3） 碱式滴定管——可盛放碱性物质或无氧化性的物质
①反应应具有较高的选择性，即选用的 显色剂最好只与待测组分反应，而不 与其他干扰组分反应或其他组分的干 扰很小； ②反应生成的有色化合物有恒定的组分 和较高的稳定性。
分类
目视比色法：比较有色溶液对溶液透过光的 强度。如CuSO4溶液透过蓝色光的强度。
分光光度法：比较有色溶液对某一波长光的 吸收。如CuSO4溶液对黄色光的吸收强度的 比较。
科学视野
上述实验中的pH计如果换成与数据采集器相连的pH 传感器，可以提高实验的自动化程度。该传感器可以“感 触”溶液的酸碱度信息，并将其转换成数据采集器（根据 现代电子数码技术组装）能识别和分析的电信号，传送到 数据采集器中，经过数据采集器处理之后，以时间—pH 曲线形式在其屏幕上显示并储存于内存中。数据采集器可 同时与多个传感器连接，例如在酸碱滴定实验中再加一个 温度传感器，就可同时得到酸碱中和反应过程中的时间— 温度曲线。数据采集器可以与装有相应软件的计算机连接， 使人们更便捷地把握实验动态及分析，推测实验结果。
pH计
原理：pH计由一对电极和一个电位计组成， 工作时两个电极插入待测溶液，组成一个原 电池，该原电池与一个精密电位计连接，用 以测量电动势。待测溶液所产生的电动势随 溶液pH的不同而变化，所测溶液的电动势在 电表上直接转成pH显示出来。 测量范围：pH=1-9
用法： ㈠校整： ①将“pH—mv”开关拨到pH位置。 ②打开电源开头指示灯亮，预热30分钟。 ③取下放蒸馏水的小烧杯，并用滤纸轻轻吸去玻 璃电极上的多余水珠。在小烧杯内入选择好的， 已知pH的标准缓冲溶液。将电极浸入。注意使玻 璃电极端部小球和甘汞电极的毛细孔浸在溶液中。 轻轻摇动小烧杯使电极所接触的溶液均匀。 ④根据标准缓冲液的pH，将量程开关拧到0-7或714处。
配制待测液时，使样片溶解和氧化，应注意硝酸的用量和 加热操作，注意安全，避免事故的发生。也可以选用一些 溶液颜色较浅的口服液进行实验，但仍然要用硝酸将Fe2+ 氧化为Fe3+。
比色管中加入标准溶液的体积取决于试样中铁元素的含量。 若试样中的铁元素的质量（以Fe2+计算）为a mg,配制成 100 mL待测液，标准溶液的物质的量浓度为c mol/L
用法： ㈠校整： ⑤调节控温钮，使旋钮指示的温度与室温相同。 ⑥调节零点，使指针指在pH 7处。 ⑦轻轻按下或稍许转动读数开关使开关卡住。调 节定位旋钮，使指针恰好指在标准缓冲液的pH数 值处。放开读数开关，重复操作，直至数值稳定 为止。 ⑧校整后，切勿再旋动定位旋钮，否则需重新校 整。取下标准液小烧杯，用蒸馏水冲洗电极。
用已知物质的量浓度的一元酸（标准溶 液）滴定未知物质的量浓度一元碱（待 cAVA 测溶液），则：
cB =
vB
关键：
①准确测定参加反应的两种溶液的体积： V标准和 V待测 ②准确判断中和反应是否恰好进行完全：指示剂 的颜色发生突变并且半分钟不变色即达到滴定终 点
变色原理：酸碱指示剂是有机色素，是有机 弱酸 (HIn) 或有机弱碱 (InOH) ，在水里也存 在电离平衡：
终点读数 起点读数 用量差值
V标NaOH V待HCl C待 1 C待平均
误差分析：
例 用标准盐酸滴定未知浓度的氢氧化钠溶液，下列操作 将对测定碱的浓度有何影响？
①预先未用标准酸润洗滴定管。
②读标准酸液初始体积时仰视，终点时平视读数。
③未赶走酸式滴定管尖嘴处气泡，滴定完毕时气泡消失。
④滴定终了时发现滴定管尖嘴处有一滴标准酸没有滴下。
HIn
H+ + In-
溶液酸碱性的变化，会影响酸碱指示剂平衡 移动的方向，指示的颜色也随之发生变化。
变色范围： 指示剂 甲基橙 石 蕊 变色范围 橙色：3.1-4.4 紫色：5.0-8.0 酸 色 红色：pH＜3.1 红色：pH＜5.0 碱 色 黄色：pH ＞ 4.4 蓝色：pH ＞ 8.0
酚 酞
指示剂的选择 ㈡指示剂的选择 ①强碱滴定强酸：无色酚酞溶液或甲基橙均可 ②强酸滴定强碱：无色酚酞溶液或甲基橙均可 ③强碱滴定弱酸：无色酚酞溶液 ④强酸滴定弱碱：甲基橙 注：有时指示剂的酸碱性会影响指示剂的选择， 需视情况而定。
测绘酸碱滴定曲线的步骤 ①按照酸碱中和滴定实验要求准备好滴定装 置及滴定管中的酸、碱溶液，调节好液面并 记录读数 ②用酸式滴定管量取一定量的HCl溶液放入 烧杯中 ③按照pH计使用说明校准pH计，将电极插 入待滴定的HCl溶液中，准备滴定
⑤配制一定物质的量浓度的溶液使用比较精密的 分析天平和容量瓶，操作中注意操作规范，以减 小操作误差的发生。使用容量瓶时注意使用玻璃 棒引流，以避免溶液的损失，提高实验的准确性。 定容时，加入蒸馏水靠近刻度线1-2 cm，改用胶 头滴管滴加蒸馏水，使凹液面与刻度线相切。
⑥比色时最好以白色背景为参照，可以有效地观察比色管 的颜色。如果待测液的颜色深浅介于两种标准溶液之间， 则该溶液的物质的量浓度取两种溶液物质的量浓度的算术 平均值。
测绘酸碱滴定曲线的步骤 ④用碱式滴定管逐渐向盛有HCl溶液的烧杯中滴加 NaOH溶液，每加入一定量，用玻璃棒小心搅拌均 匀后，读取并记录pH计显示的数据和加入NaOH 溶液的体积，开始和滴定终点后，每次滴加NaOH 溶液的量可稍大些，如每次加入5-10mL；在滴定 终点附近每次滴加NaOH的量要小，每次一滴 ⑤清洗玻璃仪器和电极，妥善保存电极，整理实 验台 ⑥根据实验数据，以NaOH溶液的用量或中和反应 百分数为横坐标，以溶液pH为纵坐标，绘制溶液 pH随NaOH溶液加入量而变化的曲线
多步滴定：
稀的碳酸钠溶液使酚酞变红，稀的碳酸氢钠溶液 不能使酚酞变红。 用盐酸滴定碳酸钠溶液，首先用酚酞作指示剂， 滴至溶液呈无色，再加入甲基橙作指示剂，滴至 溶液呈橙色。 发生反应的化学方程式是：
Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl
NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O
实验 3-4 酸碱滴定曲线的绘制
用法： ㈡使用： ①将电极上多余的水珠吸干或用被测溶液冲洗两 次，然后将电极浸入被测溶液中，并轻轻转动或 摇动小烧杯，使溶液均匀接触电极。 ②被测溶液的温度应与标准缓冲溶液的温度相同。 ③校整零位，按下读数开关，指针所指的数值即 是待测液的pH。若在量程pH0-7范围内测量时指 针读数超过刻度，则应将量程开关置于pH7-14处 再测量。 ④测量完毕，放开读数开关后，指针必须指在pH7 处，否则重新调整。 ⑤关闭电源，冲洗电极，并按照前述方法浸泡。
滴定步骤：
①滴定管夹在夹子上，保持垂直 ②右手持锥形瓶颈部，向同一方向作圆周运动，而不是前 后振动 ③左手控制活塞（或玻璃球），注意不要把活塞顶出
④滴加速度先快后慢，直至指示剂颜色突变
⑤滴定过程右手摇动锥形瓶，眼睛注视锥形瓶内溶液颜色 变化 ⑥滴定终点达到后，半分钟颜色不变，再读数
数据处理：
一次滴定 二次滴定 三次滴定
②本实验利用反应 ，通 过目视比色法测定含铁物质中的Fe3+的含量。 在制备色阶和待测溶液的过程中，由于Fe3+ 存在水解的可能，所以应当加入适量盐酸， 使溶液的pH<4.5。如果待测溶液中含有Fe2+ 化合物，应当加入硝酸使其氧化为Fe3+。
③以复方硫酸亚铁片为例，每片药片说明书标示含量（以 Fe2+计算）为50 mg，合算铁元素的物质的量约为 8.9×10-4 mol，配制成100 mL溶液，其物质的量浓度约 为8.9×10-3 mol /L。色阶溶液的配制应保证其处于色阶 范围之内。 ④色阶溶液浓度的计算：若Fe3+标准溶液的物质的量浓度 为c0，每次量取该标准溶液的体积为V mL，比色管容积 为25 mL 则比色管内标准溶液的物质的量浓度c为：
一、 酸碱中和滴定 二、 法 比色法
酸碱中和滴定
定义：用已知物质的量浓度的酸（或碱）来 测定未知物质的量浓度的碱（或酸）的方 法叫酸碱中和滴定。 原理： 酸碱中和滴定是以酸碱中和反应为基 础的，反应的实质是： H+ + OH- = H2O 即酸提供的氢离子总数n (H+)等于碱提供的 氢氧根总数n(OH-)。
则比色管中加入标准溶液的体积V(mL)约为：
目视比色法的优缺点
缺点 目视比色法的主要缺点是准确度不高，如果待测液中存在 第二种有色物质，甚至会无法进行测定。另外，由于许多 有色溶液颜色不稳定，标准系列不能久存，经常需在测定 时配制，比较麻烦。虽然可采用其某些稳定的有色物质 ( 如重铬酸钾、硫酸铜和硫酸钴等 ) 配制永久性标准系列， 或利用有色塑料、有色玻璃制成永久色阶，但由于它们的 颜色与试液的颜色往往有差异，也需要进行校正。
பைடு நூலகம்
建议与改进
标准溶液的配制以0.02 mol/L为宜，浓度过大使比色管中的色阶差 变大，实验误差加大。浓度过小使比色管中色阶的颜色差变小，不 易观察。
制取待测液的具体方法可改进如下：取1～2片复方硫酸亚铁药片， 在研钵中粉碎，取用其中粉碎较好的部分样品，准确称量其质量， 置于50 mL烧杯中，加入2 mL蒸馏水使其溶解，加入2 mL 1∶1的 HNO3溶液，于酒精灯上稍稍加热2～3分钟，可以使全部样品溶解， 注意温度不要过高，以不使硝酸分解为宜。待溶液冷却后，移入 100 mL容量瓶中，用蒸馏水多次润洗烧杯及玻璃棒，洗液完全移 入容量瓶中。再加入4.0 mL 5%的KSCN溶液和10.0 mL HAcNaAc缓冲溶液，加蒸馏水稀释至刻度，摇匀，制得待测溶液。
测定化合物中Fe3+
实验原理：①许多物质本身具有明显的颜色，如KMnO4 溶液显紫色，CuSO4溶液显蓝色；有些溶液本身无色， 但加入其他试剂后，具有明显的颜色，如Fe3+中加入 SCN-( )，显红色。上述溶液颜色 的深浅和溶液的浓度有关，在一定条件下，这些溶液的颜 色愈深，浓度愈大，故可以通过比较颜色的深浅来测定有 色物质的含量，这样的方法叫比色分析法。